META-COAT. Metallisierung von Hochleistungskunststoffen META-COAT. Individuell anpassbare Schichten. Hervorragende elektrische Leitfähigkeit

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1 META-COAT Metallisierung von Hochleistungskunststoffen META-COAT Einfache Vorbehandlung Individuell anpassbare Schichten Hohe Haftfestigkeit Hervorragende elektrische Leitfähigkeit Gute Lötbarkeit Elektromagnetische Abschirmung Gute Chemikalienbeständigkeit Hohe Verschleißfestigkeit

2 Metallisierung von Hochleistungskunststoffen Was ist META-COAT? Die Forderung nach neuen Verbundwerkstoffen mit verschiedenen spezifischen Eigenschaften wird in zunehmendem Maße von der Industrie gestellt. Mehr und mehr dringen Kunststoffe in Anwendungsbereiche vor, wo funktionelle Eigenschaften auf hohem Niveau zu günstigen Konditionen verlangt werden. Das META-COAT -Verfahren dient der Metallisierung von Hochleistungs- und faserverstärkten Kunststoffen und entspricht den industriellen Anforderungen. Eine nach diesem Verfahren erzeugte erste Schicht kann bereits eine technische Funktion wie z.b. Abführen statischer Ladung und Verschleißbeständigkeit übernehmen. Durch Aufbringen weiterer metallischer Schichten entsteht ein Schichtsystem, das optimal an die Funktion des Bauteils angepasst werden kann. Wie entstehen META-COAT -Schichten? META-COAT -Schichten werden auf Kunststoffen durch eine dem jeweiligen Grundwerkstoff und der Geometrie angepasste Vorbehandlung erzeugt. Die Vorbehandlung basiert im wesentlichen auf einer mechanischen Mikrostrukturierung, einer chemischen oder physikalischen Veränderung der Oberfläche oder Kombinationen aus diesen Vorbehandlungen. Nach einer nachfolgenden Aktivierung werden auf die Oberfläche entweder auf chemischem oder auf elektrolytischem Wege Metalle wie z.b. Kupfer, Nickel, Silber, Zinn oder Gold abgeschieden. Bei den elektrolytischen Verfahren sind gewisse Einschränkungen hinsichtlich komplexer Geometrien (Hinterschneidungen, Sackbohrungen, Nuten, etc.) zu berücksichtigen. (Alle in diesem Prospekt aufgeführten technischen Werte gelten unter den dort genannten Testbedingungen. Wir weisen deshalb ausdrücklich darauf hin, dass auf Grund der unterschiedlichen Einsatzbedingungen nur ein Praxistest beim Anwender Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der Schicht bzw. des Schichtsystems geben kann.) Foto Baumscheibe: lakeemotion-fotolia.com 2

3 META-COAT -veredelbare Werkstoffe Durch die Beschichtung werden die Eigenschaften von Kunststoffen und Metallen kombiniert und ihre gemeinsamen Vorteile genutzt. Thermoplaste sind preiswerte Basiswerkstoffe, die sich einfach und kostengünstig formen lassen. Faserverstärkte Kunststoffe weisen eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht auf. Beide Arten von Grundwerkstoffen sowie Duroplaste wurden mit META-COAT bereits erfolgreich beschichtet: PPS Polyphenylensulfid PEEK Polyetheretherketon LCP Liquid Crystalline Polymer CFK Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe GFK Glasfaserverstärkte Kunststoffe PPA Polyphthalamid und weitere Kunststoffe Anlage zur Metallisierung von Kunststoffen REM-Aufnahme (Falschfarbendarstellung) eines Querschliffes einer Polymerprobe, die mit 5µm Chemisch Kupfer beschichtet ist. Das Polymer ist sowohl mit Glas- als auch mit Mineralfasern gefüllt. 3

4 Metallisierung von Hochleistungskunststoffen Technische Eigenschaften Haftfestigkeit: Das META-COAT -Verfahren zeichnet sich durch eine exzellente Haftung der Metallschichten auf unterschiedlichsten Kunststoffsubstraten aus. Durch die spezielle Vorbehandlung der Kunststoffsorten lassen sich Haftfestigkeiten von bis zu 35 N/mm 2 (auf GFK, Stirnzugversuch) erreichen. Prinzipiell lassen sich technische Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PPS, LCP und PPA sehr gut beschichten. Glas- und/oder mineralfaserverstärkte Materialien sind unverstärkten Kunststoffen deutlich vorzuziehen. Je nach Material, Geometrie und Schichtsystem werden unterschiedliche Haftfestigkeiten erzielt. Einhergehend mit der Vorbehandlung weisen mit META-COAT beschichtete Oberflächen in der Regel eine Rauigkeit von R a =1,0 4,0 µm auf. Aufgrund der hohen Haftfestigkeit ist nach dem Aufbringen einer entsprechend dicken Schicht, z.b. eine mechanische Bearbeitung durch Schleifen, Verpressen und spanende Bearbeitung möglich. Temperaturbelastbarkeit: Die Temperaturbelastbarkeit ist abhängig von der Art des ausgewählten Grundwerkstoffes und der Beschichtung. Beispielsweise kann ein Schichtsystem bestehend aus 5 µm Kupfer und 3 µm Zinn auf PEEK oder PPS kurzzeitig Temperaturen bis zu 330 C widerstehen, wie sie bei Lötvorgängen erreicht werden. Verschleißfestigkeit: Die Verschleißfestigkeit eines Kunststoffes kann durch das META-COAT -Verfahren deutlich verbessert werden. Wird eine Chemisch Nickel-Schicht mit eingelagertem Siliziumcarbid-Partikeln (SIC-DURNI-DISP) auf einen Kunststoff aufgebracht, beträgt der Abrieb im Taber-Abraser-Test nach Umdrehungen nur 5 8 mg (Schleifrolle CS 17) und erreicht damit Dimensionen, die denen von Hartchrom ähneln. Schichtdicken: Je nachdem ob eine Einzelschicht oder eine Schichtkombination auf dem Grundwerkstoff aufgebracht wurde, liegen die zu erzielenden Schichtdicken im Bereich von 3 µm bis 2 mm. Chemikalienbeständigkeit: Eine Chemisch Nickel-Schicht (DURNI-COAT ) kann etwa Polyamid vor Chemikalien wie Chloroform, Methylenchlorid, Ameisensäure, Phenole und Kresol schützen. Elektrische Leitfähigkeit: Durch Aufbringen einer nur wenige Mikrometer dicken Silberschicht wird einer Kunststoffoberfläche eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit verliehen (10 6 Ω -1 m -1 bei 20 C). Die Silberschicht ist lötfähig. AHC/

5 Allgemeine Schichteigenschaften je nach erzeugter Metallschicht: hohe Haftfestigkeit Verschleißfestigkeit Korrosionsbeständigkeit elektrische Leitfähigkeit Shielding Wärmeleitfähigkeit Lötbarkeit Diffusions- und Gasbarriere versteifende Wirkung Metallisierte Kunststoffteile für den Prototyp einer Ansaugbrücke für Toyota Yaris (Engineering & Bild: Hagen Engineering GmbH) Glasfaserverstärktes Kunststoffgehäuse für den Hochfrequenzbereich in der Telekommunikationstechnik: Rechts unbeschichtet, oben beschichtet mit 6 µm Chemisch Nickel (DURNI-COAT ) plus 6 µm Silber. 5

6 Metallisierung von Hochleistungskunststoffen META-COAT -Anwendungen Durch META-COAT lassen sich Bauteile aus Aluminium, Zinkdruckguss, Magnesium oder Stahl durch metallbeschichtete Kunststoffe ersetzen. Durch META-COAT lassen sich auch Neukonstruktionen aus Kunststoff realisieren. Titelbild: Wireless-Data-Link (aufgeschnitten) aus Kunststoff, versilbert nach dem META-COAT -Verfahren, um Lötbarkeit und HF-Reflektion zu ermöglichen. Einsatzgebiete Chemische Industrie Fahrzeugbau Haushaltsgeräteindustrie Luft- und Raumfahrt Maschinenbau Medizintechnik Mikroelektronik Optik und Feinwerktechnik Sensorik Sportindustrie Telekommunikation Lampenfassung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nach einer Vernickelung. Die Beschichtung hat die Aufgabe, Licht zu reflektieren. 6

7 META-COAT -Anwendungen Korrosionsschutz: Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphorschicht 3 30 µm Verschleißschutz: + chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphorschicht mit eingelagerten Siliziumcarbid-Partikeln 15 µm Lötbarkeit: Chemisch abgeschiedene Kupfer-Schicht 5 µm + elektrolytisch abgeschiedene Zinn-Schicht (technisch Zinn) 3 µm + elektrolytisch abgeschiedene Silber-Schicht 3 µm EMV Elektromagnetische Verträglichkeit: Chemisch abgeschiedene Kupfer-Schicht 5 µm + elektrolytisch abgeschiedene Zinn-Schicht (technisch Zinn) 3 µm Bauteilversteifung für Rapid Prototyping: Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schicht 3 µm + elektrolytisch abgeschiedene Sulfamatnickel-Schicht µm Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schicht 3 µm + elektrolytisch abgeschiedene Kupfer-Schicht µm (zusätzlich optimierte Wärmeleitung) ggf. zusätzlicher Korrosionsschutz erforderlich Wärmereflektion: + Sudgold 0,1 µm Reflektion im hochfrequenten Bereich (z.b. GHz): + elektrolytisch abgeschiedene Silber-Schicht 1 5 µm Chemisch abgeschiedene Kupfer-Schicht 5 10 µm + elektrolytisch abgeschiedene Silber-Schicht 1 5 µm Reibwertreduzierung/Verschleiß: + chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphorschicht mit eingelagerten PTFE-Partikeln 15 µm 7

8 Metallisierung von Hochleistungskunststoffen 3D-MID (Molded Interconnect Device) AHC/02.14 Anwendungsbeispiel aus der Elektronikindustrie, bei dem zwei verschiedene LCP-Typen miteinander kombiniert sind Das MID-Verfahren: Mit der MID-Technologie werden bei der Serienproduktion von Steckerplatinen, 3D-Schaltungsträgern, Leiterplatten, EMV- Gehäusen oder anderen elektrotechnischen Bauteilen Teilezahl und Montageaufwand reduziert sowie Gestaltungsfreiheit und Reproduzierbarkeit erhöht. Denn bei der MID-Herstellung werden elektrische und mechanische Funktionen in einem Spritzgussteil vereint. 3D-MID: 2-K-Spritzgusstechnik AHC nutzt zur Metallisierung von MID-Bauteilen die Zwei- Komponenten-Spritzgusstechnik (Two-shot molding). Durch den Einsatz der Zwei-Komponenten- Spritzgusstechnik besteht die Möglichkeit, räumlich spritzgegossene Kunststoffbauteile partiell zu metallisieren, da eine metallisierbare Kunststoffkomponente (LCP Vectra 820iPd) mit einer nicht metallisierbaren Kunststoffkomponente verbunden wird. Die metallisierbare Komponente kann auch die Form von elektrischen Leiterbahnen annehmen, die über die Zwei-Komponenten- Spritzgusstechnik darstellbar sind. Diese Technologie bietet eine Alternative zu den bekannten Verfahren mit Leiterplatten und Stanzgittern. Der im Vergleich zu anderen Thermoplasten kostenintensive Werkstoff LCP (Liquid Crystalline Polymer) bietet sich besonders bei äußerst feinen Leiterbahnstrukturen (Strukturfeinheit bis 200 µm) und langen Fließwegen an, die beispielsweise mit Polyamid oder PC/ABS nicht mehr realisiert werden können. LCP ist ein hochtemperaturbeständiger und extrem maßhaltiger Werkstoff, der mit den gängigen Verfahren gelötet werden kann und kein Wasser aufnimmt. Chemisch Kupfer Insbesondere für Zwei-Komponenten-Kunststoffe wie LCP hat AHC einen Chemisch-Kupfer-Elektrolyten mit hoher Abscheidegeschwindigkeit und hoher Selektivität entwickelt. Es werden Schichtdicken von bis zu 20 µm Kupfer erreicht. Auf die Kupferschicht können bei Bedarf weitere funktionelle Schichten abgeschieden werden, z.b. Chemisch Nickel (DURNI-COAT ) oder Chemisch Nickel/ Gold. Schichteigenschaften Zur Untersuchung der Temperaturwechselbeständigkeit, der Haftung und der Duktilität der Chemisch Kupfer-Schicht wurde eine Temperaturwechselprüfung nach DIN 53496* durchgeführt (4 h bei -40 C, 1 h bei RT, 16 h bei +160 C, vier Zyklen). Dabei konnten keine optisch erkennbaren Schäden an der Schicht, keine Blasenbildung oder Mikrorisse festgestellt werden. (* jetzt ersetzt durch DIN 53100) Haftfestigkeit Die Haftfestigkeit liegt bei LCP als Grundwerkstoff deutlich über 0,5 N/mm (Schältest). Laserstrukturierte Komponenten Ebenfalls können laserstrukturierte Materialien wie Kupfer-dotiertes PBT (Polybutadienterephtalat), Palladium-dotiertes LCP (Liquid Crystalline Polymer) und weitere Kunststoffe beschichtet werden. Bei der Laserstrukturierung werden mittels Laserbearbeitung Bereiche der Oberfläche selektiv aktiviert, die im Hause AHC metallisiert werden können.